无线传感器网络设计

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1、1引言传感器作为人们感官的延伸，在现代社会中得到了越来越广泛的应用。随着通信 技术、嵌入式技术、传感器技术的发展，传感器正逐渐向智能化、微型化、无线网络化发展。本文以温度传感器为例，使用模 块化设计思路，实现了一个无线传感器网络1。这种传感器网络综合了嵌入式技术、传感器技术、 短程无线通信技术，在实际中有着广泛的应用。无线传感器网络可以应用于环境科学，为科学家获得野外 的随机数据提供方便；可以应用于医疗健康，在病人身上安装一些特殊的传感器，医生可以随时监测病人的身体情况；在商业上， 无线传感器网络和中心主控计算机相结合，能够给人们提供更舒适、方便、人性化的家居环境。普通节点和汇聚节点的CPU模

2、块都采用TI公司的MSP系列单片机，MSP430 系列单片机具有超低功耗性能，对于无线传感器网络来说，这一点是很重要的。另外它具有 8通道12位高精度A/D采样，可以满足各种需要的数据采集与监控的应用，具有一定的通 用性。此外射频部分采用Chipcon公司的符合IEEE802.15.4/ZigBee2协议的CC2420为核心 组成射频模块，ZigBee对无线传感器网络来说无疑是最合适的无线局域网通信协议。2无线传感器网络中普通节点和汇聚节点的硬件设计2.1 WSN普通节点的硬件体系结构无线传感器节点的普通节点负责将实时数据采集起来并将其发送到邻居节点， 其硬件结构图如图1所示。图1;呷SN中普

3、JS Sensor Node结构图1: WSN中普通Sensor Node结构2.2 WSN汇聚节点的硬件体系结构汇聚节点的作用是将传感器节点发送的数据收集起来，并进行一定的数据优化 处理将其需要的格式发送给最终监控计算机。图2：邨M中汇聚Sink Mod巳结构图2: WSN中汇聚Sink Node结构各部分的具体组成中央处理器CPU部分：由于整个设计要以低功耗为原则，一次选取了业界公认的超低功耗处理器 MSP430系列单片机。TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，能够在低电压下以超低功耗状态工 作;其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设;带60kFlash RO

4、M存储器的单片机可以存储大量的节点数据采集信息还可以方便高效地进 行在线仿真和编程。MSP430系列单片机最显著的特点就是它的超低功耗，在1.8V3.6V电压、1MHz的时钟条 件下运行，耗电电流在0.1mA400mA之间，RAM在节电模式耗电为0.1mA，等待模式下仅为0.7mA。能耗是无线传感器网络的瓶颈, 节点必须依靠电池供电。所以采用MSP430F149是最佳选择。无线通信模块设计：采用挪威半导体公司Chipcon推出的CC2420是全球首颗符合802.15.4/ZigBee 联盟标准的2.4GHz射频芯片。CC2420基于Chipcon公司的SmartRF03技术，采用0118“m工

5、艺。为了 保持和ZigBee4标准一致,CC2420支持250kbps数据传输率。芯片具有50个寄存器：33个控制、状态寄存器;15个命 令选通寄存器;2个先入先出缓存控制寄存器。本设计的一个主要创新之处在于选取了硬件上支持IEEE802.15.4/ZigBee协议的物理层和数据链路层中的LLC子层，因此这时我们只需在协 议层上实现上层的安全层，MAC层和用户的应用层协议。下面介绍ZigBee协议在新一代无 线通信中的特点和对于无线传感器网络中应用的优势。低功耗:由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功 耗低，因此ZigBee设备非常省电。ZigBee设备仅靠两

6、节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无 线设备望尘莫及的。成本低:ZigBee模块的初始成本在6美元左右，并且ZigBee协议是免专利费 的。低成本对于ZigBee 也是一个关键的因素。时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休 眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线 控制（如工业控制场合等）应用。网络容量大:一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主 设备,而且网络组成灵活。可靠:采取了碰撞避免策略（CSMA-CA），同时为需要固定带宽的通信业

7、务预留 了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信 息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。安全:ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持 鉴权和认证,采用了 AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。CPU和RF接口设计如图所示：FIFOFEFOPCCA3尸匕CSnSiSQSCLKMAIXI_r=ILuJ4&Bd.5pSWA.SMD9WJJeraInterruptGfO1Titbt CaptureG1O2IMOSI-MisoSCLK圉3： MCU-RF之间的接口图3:

8、MCU与RF之间的接口 单片处理器通过4线制SPI总线接口和射频芯片CC2420通信，单片微处理器可 以通过编程使CC2420工作在不同的状态，读、写缓存数据，读CC2420回馈的信息。在与射频芯片的接收、发送FIFO接口时用FIFO和FIFIOP引脚进行状态的控 制和读取信息；射频天线部分的原理图如图5所示，在2.4GHZ的无线通信系统中设计采用的对信号屏蔽和保护效果很好的环形天线设计，采用 带屏蔽层的四层PCB设计，在实际中取得了很好的效果，天线部分的阻抗匹配电路原理图 如下面所示。4=射频天线部分的信号保护隈理图图4：射频天线部分的信号保护原理图USB-UART转换模块：USB2.0标准

9、已经成为现在计算机和外围设备的标准通信接口。这样用户可以很方便的携 带移动设备，设备之间可以达到很快的数据传输速度并达到很好的抗干扰性，一边是设备稳 定可靠的工作。这个模块选用FTDI-232BM总线芯片实现标准的串行RS232转换USB的电路,下面简述此款总线芯片的接口：只有三个接口，一个标准USB 口，一个标准RS232串口, 还有一个多功能口。如图所示总线转接芯片周围电路原理图。*士 C21USJ-VI曲* &VM：II U AVCC lu1StxdRXCuSSOmCTSsUSBJPDH”ER-ftrrouT*fil-?CTIHFXLECxr&LnSW_EItEC3EESHpyjncnE

10、EE-ATAF 卅1TESTSIEEH0 BFTOS&M口22i32L,_：3.tfTErnt5 M.toA5TX505: U北转2號总统芯片原理图图5: USB转232总线芯片原理图数据采集电路：节点的数据采集部分可根据实际需要选定合适的传感器，如振动、声响、温度、 光线等，因为整个模块由电池供电，这就要求传感器体积小、低功耗、外围电路简单，最好 采用不需要信号调理电路的数字式传感器。本设计采用AD公司的两维数字加速度计 ADXL202和Maxim公司的一线式数字温度计DS18B20是很好的选择。3底层软件和协议栈层软件设计3.1底层软件设计底层软件设计：数据采集部分程序：ADC12Init

11、:初始化CPU的AD采集通道数，采集时间，位数，等基本信息， 并开定时器中断；ADC12_ISR：中断子程序，定时器中断到时后将AD缓存中的数字量存储到堆 栈数组中去，等待发送。MCU操作CC2420中的寄存器的时序参见4。SPI操作设置CC2420程序设计 分为基本的异步串行口发送接收程序，设置控制状态寄存器的函数读取、更新射频芯片状 态寄存器。具体的API函数可以参考文中表一的设计。表一射频控制API函数粧I函数名称函数功能说明发送一个字节的信息SPI RX（x）接收一个字节的信息EX GAREAGE 厲kcc 24就接收无用信息TK ADDR（a）向CC2420地址信息EX ADDRta

12、）接HW2420地址信悬- STROBE）爺需选通寄存器设1：(1 Suits)SETEEG（aj v）疫置控制、狀态寄存器(33*16bitsGETKEG（a; v）悽取控制、状态寄存器C33*16bi-tSPOTDSTATUStsj-.更新迥状态字节倍息SPIREADFIFOBYTE （b）夙FIFO中读取一个予节3.2通信协议程序设计IEEE802.15.4/ZigBee传输的帧格式及其作用：在IEEE802. 15. 4标准中，定义了一套新的安全协议和数据传输协议，本方案中，采 用的无线模块根据IEEE802. 15.4标准,定义了一套帧格式来传输各种数据。如图所示是本论文设计中的符合

13、标准的 在物理层和数据链路层中各种帧的一般格式。命令帧主要功能是在全功能设备和对精简功能设备在网络中的行为和状态进行 控制和监视;数据型数据帧结构的作用是把指定的数据传送到网络中指定节点上的外部设备 中，具体的接收目标也由这两种帧结构中的“目标地址”给定。返回帧是返回型数据帧结构的 作用是无线模块将发送数据接收情况反馈给自身的帧。PHYW ID 201mLayfi!am mMA臨射髀无nrPHr酬仙汕朋可停(血201 +炳蹈團冬符合TEEE 802.15. 4/ZigEee通信协议帧图6： 符合IEEE 802.15.4/ZigBee通信协议帧程序中定义发送数据结构体和接收数据结构体包括下列信

14、息：发送帧序列号、 发送设备源地址、PAN网络的地址、帧长度、接收数据指针等信息。本文的帧发送和接收程序设计符合ZigBee协议的要求，对数据的发送接收在软件上 实现了最可靠的形式。下图所示为发送程序的流程图。发送结构体初始化鸽待发送机状态空闲关全局中断沽空UU242；m妾收缓存等待RBSI信号強厘有效CCA检杳C返回 j接收程序流程图4结语考虑到WSN的应用低功耗性，本设计采用低功耗的MSP430系列单片机，完成 了基于ZigBee的无线传感器网络硬件电路设计，其中包括基于超低功耗MCU最小系统的 核心控制模块、无线射频收发模块、以及一种能够通过USB-COM端口对传感器节点进行 接口供电、编程和控制的功能模块，进一步简化了外部接口。针对传感器网络这个特殊的背 景选取了具有多种优势的ZigBee通信协议，并对ZigBee协议栈的技术细节进行研究。设计 了 ZigBee无线通信协议栈的通信程序，能够很好的符合无线传感网络的各种需求。通过软 件设计的无线通信协议。